Das Ziel der EndoTOFPET-US-Kollaboration ist es, eine endoskopisches TOF-PET-System mit einer integrierten Ultraschallsonde zu entwickeln. Dies wird möglich durch die fortschreitende Miniaturisierung der Bauteile. Üblicherweise sind die Detektoren bei der Positron-Emissions-Tomographie als Ring angeordnet, in dessen Mitte die zu untersuchende Probe platziert wird. Der Einsatz von Silizium-Photodetektoren erlaubt es, die bisherige Größe der Messapparatur so weit zu verkleinern, dass ein Teil in den Sondenkopf integriert werden kann. Durch die räumliche Nähe zum zu untersuchenden Objekt wird trotzdem ein hinreichend grosser Raumwinkel abgedeckt. Gleichzeitig ist es möglich, die Sonde auch zu Ultraschallmessungen einzusetzen. Die Kombination beider bildgebender Messverfahren ergibt neue diagnostische Möglichkeiten. Eine hohe Photondetektionseffizienz und eine präzise Zeitauflösung bei der Koinzidenzmessung ergeben eine erhöhte Sensitivität, die es ermöglicht, die Belastung für den Patienten sowohl bezüglich der radioaktiven Dosis als auch der Untersuchungszeit zu verringern. Typische Erkrankungen, für die diese Diagnosemethode deutliche Vorteile bietet, sind Prostatakrebs und Bauchspeicheldrüsenkrebs.
Der neuartige Ansatz ist eine Herausforderung in vielen technischem Bereichen. Die Detektorentwicklungsgruppe am KIP beteiligt sich in zwei zentralen Bereichen an der Entwicklung, im Bereich der Datenauslese und der Detektorintegration. Für die Datenauslese wird schnelle und robuste Elektronik benötigt, um die einzelnen Photodetektoren des äußeren und inneren Sensors zu steuern und auszulesen. Das Ziel ist es, die Photonsignale mit einer Zeitauflösung von <200ps zu messen, um die Koinzidenzmessung zu verbessern. Zu diesem Zweck wird ein ASIC Chip namens STiC entwickelt, der in der Lage ist, 64 Kanäle des äußeren Sensors zu betreiben. Außerdem ist die Erforschung von schnellen Szintillationskristallen notwendig.
Bei der Detektorintegration ist die Herausforderung, einen Detektorkopf zu entwickeln, der die notwendigen Komponenten, wie zum Beispiel Szintillationskristalle und Photodetektoren, möglichst kompakt unterbringt und gleichzeitig kompatibel zu kommerziell erhältlichen endoskopischen Sonden ist.
PicoSEC-MCNet (Pico-second Silicon photomultiplier-Electronics & Crystal research Marie-Curie-Network) ist als Teil des Marie-Curie-Netzwerks ein sogenanntes Initial Training Network (ITN), gefördert durch die Europäische Union. Ziel dieses Projekts ist Forschung und Entwicklung zu schneller Photondetektion und die Anwendung in den Bereichen Hochenergiephysik und Bildgebungsverfahren in der Medizin.
Gerade die relativ neuen Entwicklungen im Bereich von Silizium-Photomultipliern (SiPM) zeigen die Möglichkeiten, die Grundlagenforschung für neue Teilchendetektoren auch in anderen Anwendungen bieten. Zu nennen sind hier zum Beispiel bildgebende Verfahren in der Medizin, Materialforschung oder Experimente der Astrophysik. Solche Spin-Off-Erfolge sind auch Ziel dieses Programms.
Die speziellen Eigenschaften von neuartigen Photodetektoren wie Siliziumphotomultipliern eignen sich hervorragend für den Einsatz in der Kalorimetrie für zukünftige Hochenergiephysik-Experimente. Sie sind kompakt, unempfindlich auf den Einfluss externer Magnetfelder und bieten eine gute Verstärkung. Zusätzlich sind sie durch eine hohe Zeitauflösung aber auch attraktiv für Anwendungen in der Medizinphysik, wie zum Beispiel die Positron-Emissions-Tomographie (PET). Durch präzise Flugzeitinformationen der Photonen lässt sich die Auflösung dieses bildgebenden Verfahrens signifikant verbessern, mit direkten Konsequenzen für Patienten und behandelnde Mediziner.
Für diese beiden Anwendungen bieten sich einige gemeinsame Entwicklungen an, die in der PicoSEC-MCNet Initiative erforscht werden sollen. Die Detektorentwicklungsgruppe am KIP beteiligt sich an der Entwicklung der Ausleseelektronik sowie am Prototypenbau sowohl für Kalorimetrieprojekte bei zukünftigen Teilchenphysikexperimenten als auch für PET-Anwendungen.
Das Virtual SiPM Laboratory (VSL) ist ein gemeinsames Forschungsprojekt von vier Instituten: DESY Hamburg, KIP Heidelberg, MPI München, RWTH Aachen sowie des PI Wuppertal. Gefördert wird es von der Helmholtz Allianz 'Physics at the Terascale'. Ziel ist es, die vorhandene Erfahrung im Bereich er Detektorentwicklung zu nutzen, um die Möglichkeiten des Einsatzes von Silizium-Photomultipliern (SiPM) in der Hochenergiephysik zu erforschen. Diese neuartige Technologie ist eine moderne Alternative zu den bewährten Photo-Tubes. Im Rahmen des VSL soll eine Infrastruktur für eine umfassende Charakterisierung dieser Bauteile bereitgestellt werden. Zu den geplanten Tests gehören die Untersuchung und Charakterisierung von Silizium-Photomultipliern sowohl alleine als auch in Kombination mit verschiedenen Detektormaterialien wie zum Beispiel Kristallen, Plastikszintillatoren, Cherenkovlicht emittierenden Materialien.
Neben den Charakterisierungsmessungen wird außerdem eine mobile Versuchsanordnung entwickelt, die als Trainingsplattform in der Ausbildung von Studenten eingesetzt werden kann. Dieses Teilprojekt ist sowohl als Praktikumsversuch für Bachelor- und Masterstudenten als auch für die Nutzung durch Doktoranden konzipiert, und erlaubt somit breite Einsatzmöglichkeiten für unterschiedliche Wissens- und Erfahrungsniveaus.
Die Detektorentwicklungsgruppe am KIP trägt zum VSL durch die Entwicklung eines Auslesechips bei, der in der Lage ist, Signale von mehreren Photodetektoren parallel auszulesen. Die Anforderungen richten sich dabei nach den Erfordernissen für Hochenergieexperimente. Dazu zählen eine niedrige Leistungsaufnahme, geringes Rauschen, ein hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis, ein großer dynamischer Bereich sowie eine hervorragende Zeitauflösung.
